TWI608191B - 具散熱結構的發光二極體燈泡 - Google Patents

Description

具散熱結構的發光二極體燈泡

本發明至少一實施例的目的在於提供一種具散熱結構的發光二極體燈泡，特別係指一種採用外部散熱環的發光二極體燈泡。

傳統照明設備主要採用白熾燈或省電燈泡作為光源組件，但白熾燈或省電燈泡一直存在高耗能及使用壽命短等令人詬病的問題。近年來，發光二極體相關技術不斷發展，高功率、高光度的發光二極體陸續被開發出來，加上發光二極體比傳統鎢絲燈泡節省近50%的能源，並擁有長達4萬至10萬小時的使用壽命，使得發光二極體在市場上有逐漸取代傳統照明設備的趨勢。

政府機關如經濟部能源局近年積極推動「LED路燈應用示範計畫」，97年至103年間協助地方政府完成近31萬盞LED路燈換裝，完成後LED路燈占全國路燈總數近17%。而美國的「柯林頓氣候倡議」計畫(Clinton Climate Initiatives，CCI)亦計畫在2016年前將美國洛杉磯現有的14萬盞路燈汰換成發光二極體，估計屆時洛杉磯的道路照明設備將可節省40%的能源消耗並每年減少4萬公噸的二氧化碳排放量。

除公共照明設備外，發光二極體在照明市場的佔有率亦逐年攀升。受惠於發光二極體的製造技術成熟，其售價逐漸降低，使得一般民 眾對發光二極體的接受度慢慢提高，許多家庭、商業及工業紛紛改採用發光二極體作為各項設備的光源組件。目前發光二極體在手電筒、顯示器、手持行動裝置、室內照明等市場已佔有優勢，且市佔率逐年上升，產業報導更指出發光二極體在2014年全球照明市場的滲透率將突破30%，並帶動353億美元的產值。

然而，目前發光二極體的光電轉換效率仍未臻成熟。在實際使用過程中，發光二極體會將大部份能量會轉換成廢熱，造成發光二極體與印刷電路板接面(後稱發光二極體晶片接面)溫度過高的缺陷。這不僅造成能源損耗與浪費外，亦會降低發光二極體的發光效率(luminous efficiency)及產品壽命。舉例而言，當發光二極體的光電轉換效率受高溫影響而驟降後，發光二極體不僅需耗費更多電力來維持光照度，同時還會產生更多熱能使得溫度進一步上升，而陷入惡性循環中。其中，發光二極體豆燈與一般發光二極體燈泡相比，其空間體積極小且發光二極體晶片密度又高，導致熱量容易集中於微小的豆燈內並造成發光二極體晶片接面溫度過高的問題。

現有的發光二極體散熱裝置大多利用散熱機構來解決發光二極體晶片接面溫度(LED junction temperature)過高的問題，但這些設計都有製造不易、體積大與成本高的問題。舉例而言，先前技術在發光二極體的燈具上裝設送風機等冷卻裝置，並透過強制對流的方式降低發光二極體晶片接面溫度。過去亦有技術在印刷電路板背側裝設水冷式散熱器，其在散熱器內部存放高導熱液體並透過液體對流的方式將熱能帶離印刷電路板。上述技術不僅佔據燈具內部大量空間，且製造技術困難，相對而言成本亦較高。鑒於體積的問題，這些習知的散熱機構無法使用在發光二極體豆燈 的微小結構上。

鑒此，目前發光二極體燈泡領域依然缺乏一個簡單、體積小之散熱結構。

習知發光二極體燈泡具有發光二極體晶片接面溫度過高的缺點。為改善上述問題，本發明至少一實施例提供一種具散熱結構的發光二極體燈泡，特別係指一種採用外部散熱環的發光二極體燈泡。所述具散熱結構的發光二極體燈泡能降低發光二極體晶片接面溫度、提高光學性能、延長產品壽命，且具有製造容易、幾何簡單、體積小與成本低廉等優勢。

本發明部分實施例的具散熱結構的發光二極體燈泡包含燈罩、基座、印刷電路板、發光二極體及散熱環。其中，基座與燈罩連接，並由基座與燈罩共構出一內部空間並將印刷電路板設置於內部空間中。所述的發光二極體與印刷電路板連接，並由印刷電路板控制。最後，散熱環則貼覆於該基座外側。

本發明部分實施例透過採用外部散熱結構的方式提升散發光二極體燈泡的熱效能(thermal performance)。所述實施例具散熱結構的發光二極體燈泡能在維持燈泡體積的同時，有效舒緩過去燈泡中發光二極體密度過高導致接面溫度過熱的問題，同時將廢熱自發光二極體燈泡的基座攜帶至外部散熱結構釋放，以降低廢熱對發光二極體的損害。

本發明部分實施例採用特殊幾何形狀的散熱結構，藉此改善過去發光二極體僵硬且制式化的外觀。所述實施例將散熱結構隱藏在具美 學設計的葉片、花瓣造型鰭片，改善過去群眾排斥散熱結構冷硬外觀的問題，進而促進群眾採用意願並提升發光二極體的滲透率。

110、210、310、410、510‧‧‧燈罩

120、220、320、420、520‧‧‧基座

130、230、330、430、530‧‧‧印刷電路板

131、231、331、431、531‧‧‧發光二極體

140、240、340、440、540‧‧‧散熱環

150、250、350、450、550‧‧‧燈座

241A、241B‧‧‧散熱支架

343‧‧‧延長段

445‧‧‧垂直鰭片

547、547A、547B‧‧‧水平鰭片

圖1A為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡側視圖。

圖1B為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡俯視圖。

圖2A為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡側視圖，其包含散熱支架。

圖2B為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡俯視圖，其包含散熱支架。

圖2C為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡側視圖，其包含散熱支架。

圖2D為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡俯視圖，其包含散熱支架。

圖3為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡側視圖，其包含延長段。

圖4A為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡側視圖，其包含垂直鰭片。

圖4B為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡俯視圖，其包含垂直鰭片。

圖5A為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡側視圖，其包含水平鰭片。

圖5B為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡俯視圖，其包含水平鰭片。

圖5C為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡側視圖，其包含水平鰭片。

圖5D為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡俯視圖，其包含水平鰭片。

本發明至少一實施例為一種具散熱結構的發光二極體燈泡。所述具散熱結構的發光二極體燈泡可包含習知發光二極體燈泡與散熱環；其中，散熱環外加於習知發光二極體的基座外側，並貼附在基座上藉此帶走發光二極體晶片產生的廢熱。在較佳的實施例中，所述的發光二極體燈泡為發光二極體豆燈。

本發明至少一實施例為一種具散熱結構的發光二極體燈泡。所述具散熱結構的發光二極體燈泡包含燈罩、基座、印刷電路板、發光二極體及散熱環。其中，基座與燈罩連接，並由基座與燈罩共構出一內部空間且將印刷電路板設置於內部空間中。所述的發光二極體與印刷電路板連接，並由印刷電路板控制發光二極體的活動。最後，散熱環則貼覆於基座外側。

圖1A與圖1B分別為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡側視圖與俯視圖。具散熱結構的發光二極體燈泡包含頂端的燈罩110與底部的基座120；其中，燈罩110與基座120結合成具散熱結構的發光二極體燈泡的主結構，並在燈罩110與基座120之間共構出內部空間。印刷電 路板130則設置在內部空間中，其上設有發光二極體131。圖1A中由燈罩110、基座120、印刷電路板130與發光二極體131組合而成的集合可透過基座120與燈座150的連結而設置於燈座150上。當基座120與燈座150結合後，發光二極體131可接收來自燈座150的電能並受印刷電路板130控制而活動。此外，散熱環140設置在基座120外側，並貼附在基座120上；更具體而言，散熱環140貼附在基座120未用於與燈座150連結的區塊外側。因此，發光二極體131與印刷電路板130接面的廢熱可傳遞至外側的散熱環140排除。

圖1A的部分實施例中，燈罩110係以高透光材料製成，如玻璃或塑料構成的透光性光學體；在較佳的實施例中，燈罩110係以玻璃製成。基座120的材料為高導熱材料，可選自由陶瓷、玻璃、石墨、氮化鋁、氧化鋁、氮化鎵、氧化鎵、碳化矽及其組合所組成的群。印刷電路板130的結構如習知印刷電路板，以金屬芯板為主體。散熱環140的材料為高導熱材料，例如可選自由陶瓷、石墨、氮化鋁、氧化鋁、氮化鎵、氧化鎵、碳化矽、鐵、銅、鋁、玻璃或其組合所組成的群；在較佳的實施例中，散熱環140的材料為高導熱金屬，例如銅或鋁。燈座150結構如習知燈座，底端設有可與外部電路形成電路連接的電性組件。此外，燈座150的材料為高導熱材料，可選自由陶瓷、玻璃、石墨、氮化鋁、氧化鋁、氮化鎵、氧化鎵、碳化矽及其組合所組成的群；在較佳的實施例中，燈座150的材質為陶瓷。基座120與散熱環140之間以高導熱散熱膏平均塗佈，並將兩者連接在一起。

圖2A與2B為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡側視圖與俯視圖。圖2A與2B實施例中的具散熱結構的發光二極體燈泡與圖1A及1B實施例具有相似結構及材料；在圖2A與21B的實施例中，具散熱 結構的發光二極體燈泡包含燈罩210、基座220、印刷電路板230、發光二極體231及散熱環240。其中，基座220與燈罩210連接，並由基座220與燈罩210共構出一內部空間並將印刷電路板230設置於內部空間中。所述的發光二極體231與印刷電路板230連接，並由印刷電路板231控制。最後，散熱環240則貼覆於該基座220外側。

然而在圖2A與2B中，具散熱結構的發光二極體燈泡進一步包含散熱支架241A。散熱支架241A的材料為高導熱材料，例如可選自由陶瓷、石墨、氮化鋁、氧化鋁、氮化鎵、氧化鎵、碳化矽、鐵、銅、鋁、玻璃或其組合所組成的群；在較佳的實施例中，散熱支架241A的材料為高導熱金屬，例如銅或鋁。散熱支架241A的一端延伸至基座220外側並與散熱環240連結，另一端則穿入內部空間與印刷電路板230的金屬芯連結；因此，發光二極體231與印刷電路板230接面的廢熱可沿著散熱支架241A傳遞至外側的散熱環240排除。在圖2A與2B的實施例中，散熱支架241A設置的高度較發光二極體231靠近基座220，以避免遮蔽發光二極體231發出的光朝燈罩210散發的路徑。

圖2C與2D為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡側視圖與俯視圖。圖2C與2D實施例中的具散熱結構的發光二極體燈泡與圖2C及2D實施例具有相似結構及材料；在圖2C與2D的實施例中，具散熱結構的發光二極體燈泡包含燈罩210、基座220、印刷電路板230、發光二極體231及散熱環240。其中，基座220與燈罩210連接，並由基座220與燈罩210共構出一內部空間並將印刷電路板230設置於內部空間中。所述的發光二極體231與印刷電路板230連接，並由印刷電路板230控制。最後，散熱環240 則貼覆於該基座220外側。

然而在圖2C與2D中，具散熱結構的發光二極體燈泡進一步包含散熱支架241B。散熱支架241B的材料同樣為高導熱材料，例如可選自由陶瓷、石墨、氮化鋁、氧化鋁、氮化鎵、氧化鎵、碳化矽、鐵、銅、鋁、玻璃或其組合所組成的群；在較佳的實施例中，散熱支架241B的材料為高導熱金屬，例如銅或鋁。散熱支架241B的一端延伸至基座220外側並與散熱環240連結，另一端則穿入內部空間與印刷電路板230的金屬芯連結；因此，發光二極體231與印刷電路板230接面的廢熱可沿著散熱支架241B傳遞至外側的散熱環240排除。在圖2C與2D的實施例中，散熱支架241B沿著印刷電路板230的側邊周緣環繞設置，以避免遮蔽發光二極體231發出的光朝燈罩210散發的路徑，同時提升散熱支架241B與印刷電路板230的接觸面積。

圖3為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡側視圖。圖3實施例中的具散熱結構的發光二極體燈泡與圖1A及1B實施例具有相似結構及材料；在圖3的實施例中，具散熱結構的發光二極體燈泡包含燈罩310、基座320、印刷電路板330、發光二極體331及散熱環340。其中，基座320與燈罩310連接，並由基座320與燈罩310共構出一內部空間並將印刷電路板330設置於內部空間中。所述的發光二極體331與印刷電路板330連接，並由印刷電路板330控制。最後，散熱環340則貼覆於該基座320外側。

然而在圖3中，具散熱結構的發光二極體燈泡進一步包含延長段343。延長段343的材料為高導熱材料，例如可選自由陶瓷、石墨、氮化鋁、氧化鋁、氮化鎵、氧化鎵、碳化矽、鐵、銅、鋁、玻璃或其組合所組成的群；在較佳的實施例中，延長段343為散熱環340的部分或全部延伸。延 長段343的一端與散熱環340連結，另一端與燈座350連結；因此，發光二極體331與印刷電路板330接面的廢熱可透過散熱環340排除外，延長段343亦可進一步將廢熱帶至燈座350透過燈座350排除。

圖4A與圖4B為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡俯視圖與側視圖。圖4A與圖4B實施例中的具散熱結構的發光二極體燈泡與圖1A及1B實施例具有相似結構及材料；在圖4A與圖4B的實施例中，具散熱結構的發光二極體燈泡包含燈罩410、基座420、印刷電路板430、發光二極體431及散熱環440。其中，基座420與燈罩410連接，並由基座420與燈罩410共構出一內部空間並將印刷電路板430設置於內部空間中。所述的發光二極體431與印刷電路板430連接，並由印刷電路板430控制。最後，散熱環440則貼覆於該基座420外側。

然而在圖4A與圖4B中，具散熱結構的發光二極體燈泡進一步包含垂直鰭片445。垂直鰭片445的材料為高導熱材料，例如可選自由陶瓷、石墨、氮化鋁、氧化鋁、氮化鎵、氧化鎵、碳化矽、鐵、銅、鋁、玻璃或其組合所組成的群；在較佳的實施例中，垂直鰭片445為材料為高導熱金屬，例如銅或鋁；在更佳的實施例中，垂直鰭片445為散熱環440的延伸。垂直鰭片445的一端與散熱環440連結，另一端則向外延伸以擴大散熱面積。因此，發光二極體431與印刷電路板430接面的廢熱可透過散熱環440排除外，更可進一步將廢熱帶至垂直鰭片445透過垂直鰭片445排除。

圖5A與圖5B為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡俯視圖與側視圖。圖5A與圖5B實施例中的具散熱結構的發光二極體燈泡與圖4A及4B實施例具有相似結構及材料；在圖5A與圖5B的實施例中， 具散熱結構的發光二極體燈泡包含燈罩510、基座520、印刷電路板530、發光二極體531及散熱環540。其中，基座520與燈罩510連接，並由基座520與燈罩510共構出一內部空間並將印刷電路板530設置於內部空間中。所述的發光二極體531與印刷電路板530連接，並由印刷電路板530控制。最後，散熱環540則貼覆於該基座520外側。

然而在圖5A與圖5B中，具散熱結構的發光二極體燈泡進一步包含水平鰭片547。水平鰭片547的材料為高導熱材料，例如可選自由陶瓷、石墨、氮化鋁、氧化鋁、氮化鎵、氧化鎵、碳化矽、鐵、銅、鋁、玻璃或其組合所組成的群；在較佳的實施例中，水平鰭片547的材料為高導熱金屬，例如銅或鋁；在更佳的實施例中，水平鰭片547為散熱環540的延伸。水平鰭片547的一端與散熱環540連結，另一端則向外延伸以擴大散熱面積。因此，發光二極體531與印刷電路板530接面的廢熱可透過散熱環540排除外，更可進一步將廢熱帶至水平鰭片547透過水平鰭片547排除。

圖5C與圖5D為本發明部分實施例之具散熱結構的發光二極體燈泡俯視圖與側視圖。圖5C與圖5D實施例中的具散熱結構的發光二極體燈泡與圖5A及5B實施例具有相似結構及材料；在圖5C與圖5D的實施例中，具散熱結構的發光二極體燈泡包含燈罩510、基座520、印刷電路板530、發光二極體531及散熱環540。其中，基座520與燈罩510連接，並由基座520與燈罩510共構出一內部空間並將印刷電路板530設置於內部空間中。所述的發光二極體531與印刷電路板530連接，並由印刷電路板530控制。最後，散熱環540則貼覆於該基座520外側。

然而在圖5C與圖5D中，具散熱結構的發光二極體燈泡進一 步包含水平鰭片547A與水平鰭片547B。水平鰭片547A與水平鰭片547B的材料為高導熱材料，例如可選自由陶瓷、石墨、氮化鋁、氧化鋁、氮化鎵、氧化鎵、碳化矽、鐵、銅、鋁、玻璃或其組合所組成的群；在較佳的實施例中，水平鰭片547A與水平鰭片547B的材料為高導熱金屬，例如銅或鋁；在更佳的實施例中，水平鰭片547A與水平鰭片547B為散熱環540的延伸。水平鰭片547A與水平鰭片547B的一端與散熱環540連結，且水平鰭片547A與水平鰭片547B具有不同高度。因此，發光二極體531與印刷電路板530接面的廢熱可透過散熱環540排除外，更可進一步將廢熱帶至水平鰭片547A與水平鰭片547B排除。

上述實施例之間的變化可以任意組合，並進行幾何造型、數量與材質上的修改。組合上的修改係例如在部分實施例中，圖2A實施例中的散熱支架241A可與圖3的延長段343一併使用；而在部分實施例中，圖2A實施例中的散熱支架241A可與圖4A的垂直鰭片445一併使用。幾何造型上的修改係例如在部分實施例中，圖4A實施例中的垂直鰭片445可修改為花瓣或葉片的幾何形狀，藉此產生融入周遭環境的效果；而在部分實施例中，圖5A實施例中的水平鰭片547在向外延伸的過程中朝上翹曲成弧狀，藉此產生凹透鏡聚焦光束的效果。數量上的修改係例如在部分實施例中，圖4A實施例中的垂直鰭片445可增加數量以提高鰭片密度，藉此提升散熱面積以增進散熱效果；而在部分實施例中，圖5C實施例中除位於第一水平面的水平鰭片547A與位於第二水平面的水平鰭片547B外，還可增加第三水平面以及其他平面的鰭片。材質上的修改係例如在部分實施例中，圖4A實施例中的垂直鰭片445可改變材質為玻璃，其透光之特性可提升發光二極體燈泡的光學 表現；而在部分實施例中，圖5A實施例中的水平鰭片547可改變為表面經過拋光的高導熱金屬，以提升水平鰭片547的聚光反射表現。

本發明一實施例係經修改圖1A結構後，所得到的一種兼具美學設計的具散熱結構的發光二極體燈泡。所述修改係在圖1A具散熱結構的發光二極體燈泡中，加入圖2A的散熱支架241A、圖3的延長段343與圖5C的水平鰭片547A、547B。其中，兩層水平鰭片547A、547B的材質皆為透明玻璃，且每層各包含五片花瓣狀鰭片。在此實施例具散熱結構的發光二極體燈泡中，散熱結構整體可以將廢熱自發光二極體燈泡的基座攜帶至外部釋放，水平鰭片則因透明玻璃的透光性而產生提升發光二極體光學表現的效果，並因花瓣狀的幾何造型提升發光二極體的外觀。此實施例使用特殊幾何形狀的散熱結構，使得在提升散熱性能的過程中一併改善過去發光二極體僵硬且制式化的外觀，並提升發光二極體燈泡整體設計感與美感。

本發明一實施例係經修改圖1A結構後，所得到的另一種兼具美學設計的具散熱結構的發光二極體燈泡。所述修改係在圖1A具散熱結構的發光二極體燈泡中，加入圖2A的散熱支架241A、圖3的延長段343、圖5A的水平鰭片547以及圖5C的水平鰭片547A與547B。其中，水平鰭片547、547A與547B的材質可為高熱傳導率非金屬材質，如石墨、氮化鋁、氧化鋁、氮化鎵、氧化鎵、碳化矽等。為提升其光學性質如聚光或是反射率，前述高熱傳導率非金屬材質外表面可電鍍一層高反射率金屬塗層，其材質如銅、鐵、銀、鉻、鈦或鋁。在此實施例具散熱結構的發光二極體燈泡中，水平鰭片因這些具備高熱傳導率的非金屬材質而具備高散熱效能，並因其外表的高反射率金屬塗層而改變水平鰭片的光學性質使得其得以具備聚光 或是反射效果。此實施例使用複合材質的方式，在提升散熱性能的過程中一併改善發光二極體的光學性能。

下表為本發明部分實施例所測試的溫度結果，用以呈現實施例的散熱效果。在表中所列的溫度接為攝氏溫度(℃)；其中，X代表習知無散熱結構的發光二極體燈泡泡，其所測得的溫度為126.53℃。而表中的A至E以及Y至Z分別代表發光二極體燈泡泡使用的元件；A代表散熱環、B代表散熱環與垂直鰭片、C代表散熱環與一層鋼質水平鰭片、D代表散熱環與一層鋁質水平鰭片、E代表散熱環與一層玻璃水平鰭片、X代表不包含延長部而Y則代表包含延長部。

下表為本發明部分實施例所測試的溫度結果，其為上表測試結果的後續部分。表中的F至J分別代表發光二極體燈泡泡使用的元件；F代表散熱環與一層三片式水平鰭片、G代表散熱環與一層四片式水平鰭片、H代表散熱環與一層五片式水平鰭片、I代表散熱環與一層水平鰭片、J代表散熱環與兩層水平鰭片。

以上實施方式僅為說明本發明之技術思想及特點，目的在於使熟習此技藝之人士能充分瞭解本發明之內容並能據以實施之，並不能以 此限定本發明之專利範圍，若依本創作所揭示精神所為之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

110‧‧‧燈罩

120‧‧‧基座

130‧‧‧印刷電路板

131‧‧‧發光二極體

140‧‧‧散熱環

150‧‧‧燈座

Claims (9)

1. 一種具散熱結構的發光二極體燈泡，包含：一燈罩；一基座，與該燈罩連接，且該燈罩與該基座間共構出一內部空間；一印刷電路板，設置於該內部空間中；至少一發光二極體，與該印刷電路板連接，其中該至少一發光二極體受該印刷電路板控制；一散熱環，貼覆於該基座外側；以及一散熱支架，該散熱支架的一端延伸至該基座外側並與該散熱環連結，另一端穿入該內部空間與該印刷電路板連結。
2. 如請求項1所述之具散熱結構的發光二極體燈泡，包含：複數鰭片，設置於該散熱環外側。
3. 如請求項2所述之具散熱結構的發光二極體燈泡，其中該複數鰭片的材質係高導熱材料。
4. 如請求項3所述之具散熱結構的發光二極體燈泡，其中該高導熱材料係選自由陶瓷、石墨、氮化鋁、氧化鋁、氮化鎵、氧化鎵、碳化矽、鐵、銅、鋁、玻璃或其組合所組成的群。
5. 如請求項3所述之具散熱結構的發光二極體燈泡，其中該複數鰭片為複數垂直鰭片。
6. 如請求項3所述之具散熱結構的發光二極體燈泡，其中該複數鰭片為複數水平鰭片。
7. 如請求項6所述之具散熱結構的發光二極體燈泡，其中該複數水平鰭片排列於一第一平面與一第二平面。
8. 如請求項1所述之具散熱結構的發光二極體燈泡，其中該散熱支架沿著該印刷電路板的側邊周緣環繞設置。
9. 如請求項1所述之具散熱結構的發光二極體燈泡，其中該基座與一燈座結合，且該發光二極體燈泡包含：一延長段，連接該散熱環與該燈座。